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Bewertung der Lebensdauer von dünnen Hartstoffschichten

Der Impact-Test als ergänzende Prüfmethode
Evaluation of the fatigue limit of PVD thin film systems. The impact test as complementary method
 
: Bethke, R.; Hipp, A.; Meyer, H.; Nöcker, N.

:

Vakuum in Forschung und Praxis 29 (2017), Nr.4, S.32-37
ISSN: 0947-076X
ISSN: 1522-2454
Deutsch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IST ()

Abstract
Der Impact-Test ist eine ergänzende Prüfmethode von dünnen PVD- und CVD-Hartstoffschichten, und wurde auch über die hier angegebenen Untersuchungen hinaus für industrierelevante Schichtsysteme wie z. B. CrN, TiAlN oder AlCrBN geprüft. Neben den herkömmlichen Kenngrößen, wie z. B. Schichtdicke, Härte und Haftung, die ein Schichtsystem beschreiben, gibt das Ergebnis des Impacts-Tests eine Aussage über die Ermüdungsfestigkeit des Schichtsystems. Je nach Anwendungsgebiet kann der Impact-Versuch im schwellenden Dauerkontakt oder im abhebenden Modus betrieben werden. Die Reproduzierbarkeit der Versuche ist gut, sodass 2–3 Impact-Versuche eine aussagekräftige Bewertung zulassen. Sollen mehrere Versuche auf einem Bauteil durchgeführt werden, ist ein ausreichender Abstand zwischen den einzelnen Eindrücken erforderlich, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Die Größe des Impact-Eindrucks hängt von der Pressung und den Werkstoffeigenschaften des Schicht-Substrat-Verbunds ab, nicht aber von der Anzahl der Impacts. Die mit der Deformation einhergehenden mechanischen Spannungen innerhalb des Werkstoffs führen zu Schichtschädigungen im Randbereich und/oder zu Dehnungsrissen im Inneren des Impact-Eindrucks. Das Schichtsystem wird entweder lichtoptisch oder mittels REM-EDX hinsichtlich Schädigungen analysiert. Ein Querschliff des Impact-Eindrucks ermöglicht zudem eine Aussage über Werkstoffschädigungen unterhalb des Schichtsystems. Je nach zu prüfendem Schichtwerkstoff sollte ein geeignetes Kugelmaterial gewählt werden. Eine Stahlkugel ist im Vergleich zu Hartmetall- oder Keramikkugeln weniger gut für höhere Prüfkräfte und lange Prüfdauern geeignet. Die Lebensdauer von Beschichtungen kann auf flachen als auch auf konvex gekrümmten Bauteilen ermittelt werden.

 

The impact test is a complementary test method for thin PVD and CVD hard coatings and was also examined beyond the specified tests for industry related layer systems such as, for example, CrN, TiAlN or AlCrBN. In addition to the conventional parameters, such as, layer thickness, hardness and adhesion, which describe a layer system, the result of the impact test gives a statement about the fatigue strength of the layer system. Depending on the application area, the impact test can be operated in a permanent contact or in a pounding mode. The reproducibility of the experiments is good, so that 2–3 impact tests permit a meaningful evaluation. If several tests are carried out on one component, a sufficient distance between the individual imprints is necessary in order to avoid mutual interference. The size of the impact imprint depends on the pressing and the material properties of the layer substrate composite, but not on the number of impacts. The deformation caused by the mechanical stresses within the material lead to coating damages at the edge and / or to expansion cracks in the interior of the impact imprint. The layer system is analyzed either by light-optical or by SEM-EDX with regard to damage. A cross-section of the impact imprint also allows it to make a statement about material damage under the layer system. Depending on the coating material to be tested, a suitable sphere material should be selected. Compared to carbide or ceramic sheres, a steel sphere is less suitable for higher test forces and long test durations. The service life of coatings can be determined on flat as well as on convex curved components.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-462148.html